Современные проблемы металловедения по группам марок сталей

И. В. Чуманов, М. А. Матвеева
СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ  
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ  
ПО ГРУППАМ МАРОК СТАЛЕЙ
Допущено Федеральным учебно-методическим объединением 
по укрупненной группе специальностей и направлений  
22.00.00 «Технологии материалов» в качестве учебного пособия  
при подготовке бакалавров и магистров, обучающихся, 
соответственно, по направлениям 22.03.02 и 22.04.02 «Металлургия»
Москва    Вологда
«Инфра-Инженерия»
2024

УДК 669.017.3
ББК 34.3
         Ч-90
Рецензенты:
д. т. н., профессор (Федеральное государственное бюджетное 
образовательное учреждение высшего образования «Магнитогорский 
государственный технический университет им. Г. Н. Носова») 
Чукин Михаил Витальевич;
д. т. н., профессор, зав. каф. металлургии железа и сплавов 
(Федеральное государственное автономное образовательное 
учреждение высшего образования «Уральский федеральный 
университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина») 
Шешуков Олег Юрьевич
Чуманов, И. В.
Ч-90      Современные проблемы металловедения по группам марок
сталей : учебное пособие / И. В. Чуманов, М. А. Матвеева. – 

Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 152 с. : ил., табл.
      ISBN 978-5-9729-2046-4
Рассматриваются коррозионностойкие (нержавеющие) стали 
и сплавы, конструкционные и инструментальные стали. Показаны актуальные проблемы производства сталей с повышенной обрабатываемостью резанием.
Для студентов очного и очно-заочного обучения направления 
подготовки 22.04.02 «Металлургия». Может использоваться для 
выполнения семестрового задания по предметам «Общее материаловедение», «Материаловедение. Технология конструкционных 
материалов», «Термическая обработка металлов».
	
УДК 669.017.3
ББК 34.3
ISBN 978-5-9729-2046-4	
© Чуманов И. В., Матвеева М. А., 2024
	
	
	
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024
	
	
	
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024

Оглавление
Введение ................................................................................................5
1. КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ (НЕРЖАВЕЮЩИЕ) СТАЛИ  
И СПЛАВЫ ..............................................................................................6
1.1. Классификация ...............................................................................6
1.2. Зарубежные аналоги 
.....................................................................12
1.3. Влияние легирующих элементов на свойства 
коррозионостойких сталей и сплавов  
...............................................18
1.4. Экономическая целесообразность использования 
легирующих элементов 
.......................................................................21
1.5. Производство нержавеющей стали и сплавов 
...........................22
1.5.1. Способы выплавки и разливки стали ...............................23
1.5.2. Особенности термической обработки стали 
....................32
1.5.3. Актуальные проблемы производства ...............................36
1.6. Перспективные сферы применения стали. 
Условия использования сталей и сплавов в нефтегазовом
комплексе .............................................................................................44
Контрольные вопросы ........................................................................50
2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ ................................................51
2.1. Классификация .............................................................................51
2.2. Зарубежные аналоги 
.....................................................................52
2.3. Влияние легирующих элементов на свойства 
конструкционных сталей ....................................................................54
2.4. Производство конструкционных марок стали 
...........................58
2.4.1. Способы выплавки и разливки стали ...............................58
2.4.2. Особенности термической обработки ..............................61
2.4.3. Актуальные проблемы производства ...............................66
2.5. Перспективы применения конструкционных строительных 
марок при возведении мостовых сооружений 
..................................69
Контрольные вопросы ........................................................................76
3. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ .............................................77
3.1. Классификация .............................................................................77
3.2. Зарубежные аналоги 
.....................................................................82
3.3. Влияние легирующих компонентов ...........................................83
3.4. Производство инструментальных сталей и сплавов 
.................87

3.4.1. Способы выплавки и разливки 
..........................................87
3.4.2. Особенности термической обработки ..............................90
3.4.3. Актуальные проблемы производства ...............................93
3.5. Перспективные сферы развития инструментальных сталей
и сплавов. Твёрдые сплавы.................................................................96
Контрольные вопросы ......................................................................101
4. СТАЛИ С ПОВЫШЕННОЙ ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬЮ 
РЕЗАНИЕМ 
..........................................................................................102
4.1. Классификация ...........................................................................102
4.2. Зарубежные аналоги 
...................................................................103
4.3. Влияние легирующих элементов на свойства сталей 
с повышенной обрабатываемостью резанием ................................106
4.4. Производство сталей с повышенной обрабатываемостью
резанием .............................................................................................116
4.4.1. Способы выплавки и разливки 
........................................116
4.4.2. Особенности термической обработки ............................122
4.4.3. Актуальные проблемы производства .............................122
4.5. Перспективы развития способов повышения
обрабатываемости резанием 
.............................................................128
Контрольные вопросы ......................................................................131
Словарь терминов 
...........................................................................132
Библиографический список ..........................................................147
Приложение. Расшифровка марок сталей .................................150

Введение
На протяжении всей истории металлургии перед металлургами 
стоит задача улучшения качества металла и, прежде всего, получения металла, не содержащего вредных примесей (серы, фосфора, 
газов, примесей цветных металлов, неметаллических включений 
и т. п.) и с необходимой структурой. 
Постоянно возрастающие требования к материалам во всех отраслях промышленности, таких как строительство, добывающая промышленность, машиностроение и ряда других, во многом определяется 
состоянием и техническим уровнем производства легированных сталей и сплавов, способных работать в самых разнообразных условиях. 
Решение этих задач потребовало, во-первых, конкретного 
улучшения качества производимых сталей и сплавов и, во-вторых, создания новых материалов. В данном учебном пособии рассматриваются современные проблемы металловедения по коррозионностойким, конструкционным, инструментальным маркам 
стали и стали с повышенной обрабатываемостью резанием. 
Основная задача курса «Современные проблемы металловедения по группам сталей» - изучение свойств и назначения специальных сталей, а также рассмотрение основных технологий их получения.
Освоение материала учебного пособия поможет сформировать у студента следующие компетенции:
 
— осуществлять критический анализ проблемных ситуаций 
на основе системного подхода, вырабатывать стратегию 
действия (УК-1);
 
— решать производственные и исследовательские задачи, на основе фундаментальных знаний в области металлургии (ОПК-1);
 
— участвовать в управлении профессиональной деятельностью, 
используя знания в области менеджмента качества (ОПК-3);
 
— находить и перерабатывать информацию, требуемую для 
принятия решений в научных исследованиях и в практической технической деятельности (ОПК-4);
 
— оценивать результаты научно-технических разработок, научных исследований и обосновывать свой выбор, систематизируя и обобщая достижения в отрасли металлургии 
и смежных областях (ОПК-5).
5

1. КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ 
(НЕРЖАВЕЮЩИЕ) СТАЛИ  
И СПЛАВЫ
1.1. Классификация
Несмотря на большое разнообразие марок нержавеющей стали, 
многие из них имеют сугубо специфическое применение, а массовым спросом пользуется относительно небольшой сортамент. Все 
нержавеющие стали классифицируются по группам в зависимости от своих свойств, химического состава и микроструктуры [1].
По свойствам стали и сплавы подразделяют на группы:
I - коррозионностойкие (нержавеющие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против электрохимической и химической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой), 
межкристаллической коррозии, коррозии под напряжением и др.;
II - жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности 
в газовых средах при температуре выше 550 ƒС, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии;
III - жаропрочные стали и сплавы, способные работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной стойкостью.
По химическому составу нержавеющие стали делятся на основные группы.
Хромистые стали являются наиболее экономичными в отношении легирования. Они весьма широко применяются в различных областях техники в виде листа, труб и прутков, а также литья.
В зависимости от состава и структуры они подразделяются 
на следующие подгруппы (по Ф. Ф. Химушину):
а) полунержавеющие (теплоустойчивые) хромистые стали 
с 5...10  Cr, закаливающиеся на мартенсит;
б) сильхромы и др. клапанные хромистые стали;
6

в) нержавеющие хромистые стали с 10...17  Cr, закаливающиеся на мартенсит;
г) сложнолегированные нержавеющие стали с 12...17  Cr, 
применяемые в качестве теплоустойчивых растворов с кристаллической решеткой центрированного куба;
д) нержавеющие и кислотоупорные хромистые стали с 16...20  Cr 
полуферритного и ферритного класса, хромистые жаростойкие стали с 25...33  Cr ферритного класса и хромоазотистые нержавеющие и жаростойкие стали;
е) хромистые жаростойкие стали с присадками алюминия, 
кремния, азота и других элементов.
Рассматривая структуру и фазовый состав хромистых сталей, 
следует отметить, что железо и хром после затвердевания образуют непрерывный ряд твердых растворов.
При содержании хрома более 13...15  сталь имеет только 
Į (į)-структуру. При меньших содержаниях хрома в области температур 800...1400 ƒС имеются Ȗ- и ȖĮ-твердые растворы. Наконец, железохромис-тые сплавы имеют хрупкую немагнитную 
составляющую - ı-фазу. Она образуется при температуре ниже 
950 ƒС и содержании хрома и железа по 47  (ат.) и, по мнению 
большинства исследователей, представляет интерметаллическое 
соединение FeCr (рис. 1). 
Выделения Į-фазы, которые имеют место в высокохромистых 
сталях при медленном охлаждении или нагреве быстроохлажденной стали, сопровождаются большими объемными изменениями, 
что является причиной исключительно высокой хрупкости подобных сталей.
Наличие марганца, кремния и молибдена облегчает образование Į-фазы и смещает область ее существования в сторону более 
низкого содержания хрома.
Для повышения коррозионной стойкости хромистых сталей 
желательно получение низкого содержания углерода, в этом случае устраняется образование карбидов и сохраняется однородность структуры. Однако для повышения закаливаемости и твердости необходимо иметь в стали повышенную концентрацию 
углерода.
7

Рис. 1. Диаграмма железо-хром
Хромоникелевые и никелевые стали имеют самое широкое 
применение в промышленности и занимают наибольший удельный вес в выплавке нержавеющих сталей.
К хромоникелевым сталям в настоящее время можно отнести 
более полусотни марок, которые используются в виде поковок, сортового и листового проката, горячекатаных и холоднокатаных 
труб, фасонных профилей и литья в авиационной и атомной технике, в химической промышленности и энергетике, а также в других самых различных областях техники.
8

Сортамент хромоникелевых сталей в последнее десятилетие 
пополнился многими новыми марками с более сложным легированием, с карбидным и интерметаллидным упрочнением, с промежуточными структурами. Эти стали можно подразделить на следующие подгруппы:
а) хромоникелевые аустенитные стали с малым содержанием углерода, в том числе стабилизированные титаном или 
ниобием;
б) хромоникелевые кислотостойкие аустенитные стали с присадкой молибдена и меди;
в) хромоникелевые окалиностойкие стали с высоким содержанием хрома и никеля;
г) хромоникелевые стали аустенито-мартенситного класса 
(с неустойчивым аустенитом);
д) хромоникелевые стали аустенито-ферритного класса.
Ядром группы хромоникелевых сталей, безусловно, являются аустенитные стали типа 18-8, например 00Х18Н10, 0Х18Н10, 
Х18Н9, 0Х18Н11, 2Х18Н9, стабилизированные титаном - 
00Х18Н10Т, 0Х18Н10Т Х18Н9Т, Х18Н10Т, Х18Н12Т, Х17Н13М2Т, 
0Х17Н16М3Т, Х17Н13М3Т и ниобием - 0Х18Н10Б, 00Х16Н15М3Б, 
0Х16Н15М3Б и др. Стали этого типа отличаются различным содержанием углерода, влияющим на их коррозионную стойкость.
Низкоуглеродистая сталь используется в качестве электродной проволоки для сварки хромоникелевой стали. При содержании углерода до 0,06  сталь можно подвергать кратковременному нагреву в зоне температур 550...650 ƒС без дополнительной 
термообработки. Хромоникелевые аустенитные стали широко используются для аппаратуры в химической промышленности в виде печной арматуры, теплообменников, патрубков и коллекторов 
выхлопных систем.
Хромоникелевые окалиностойкие стали с повышенным содержанием хрома и никеля, а также с добавкой кремния и бора 
(Х23Н13, 0Х23Н18, Х23Н18, 1Х25Н25ТР, Х25Н20С2, Х25Н16Г7АР) 
применяются в виде литья, проката, поковок, листа, ленты и в виде 
сварочной проволоки для изготовления деталей, жаростойких изделий и аппаратуры, работающих при 800...1000 ƒС.
9

Содержание углерода в деформируемых сталях, как правило, 
не превышает 0,20  (обычно 0,1...0,15 ), в литых сталях оно может быть доведено до 0,50 .
По структуре эти стали могут быть аустенитными (например, Х23Н18), аустенито-мартенситными и аустенито-ферритными (Х23Н13). Длительный нагрев этих сталей при 600...900 ƒС приводит к снижению вязкости и пластичности, при этом происходит 
выделение Į-фазы. Присадка кремния к стали типа 25-20 увеличивает ее склонность к образованию ı-фазы при длительном нагреве при умеренных температурах с соответствующим снижением пластичности и вязкости стали.
Аустенито-мартенситные нержавеющие стали (Х15Н9Ю, 
Х17Н7Ю, 3Х13Н7С2) применяются в качестве конструкционного металла в самолетах и на транспорте.
Подавление эвтектоидного распада Ȗ ! Į, снижение температуры мартенситного превращения за счет ввода аустенитообразующих элементов (главным образом никеля) в 18-ю хромистую 
сталь ведут к резкому изменению магнитных (фазовых) и механических свойств стали. Наиболее сильное изменение свойств наблюдается при 7  Ni.
Хромомарганцевые и хромомарганцевоникелевые стали - нержавеющие стали, в которых никель был полностью или частично 
заменен другим аустенитообразующим элементом - марганцем, 
нашли свое применение в областях, где предъявляются к металлу 
повышенные требования по истираемости, а также там, где важную роль играют вопросы прочности металла. Применение марганца позволяет вводить в сталь в весьма больших количествах 
азот. В связи с меньшей эффективностью марганца (как аустенитообразующего элемента), чем никеля, он должен вводиться 
в сталь в больших количествах (почти в два раза). В зависимости 
от состава, структуры и свойств эти стали подразделяются на несколько подгрупп:
а) аустенитные стали с 12...14  Cr и различным содержанием марганца и никеля;
б) аустенитные стали с 17...19  Cr и различным содержанием марганца и никеля с добавкой азота;
10